淺析5G通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

李洋

摘要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。4G通信技術(shù)的高速發(fā)展與普及應(yīng)用，推動(dòng)了城市軌道交通通信系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了LTE車地?zé)o線通信傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建，有效提升了通信覆蓋范圍、信息傳播速率、信息傳輸抗干擾能力，為城市軌道交通管理與服務(wù)帶來便利。但在測試與實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，基于4G通信技術(shù)應(yīng)用下的LTE系統(tǒng)，其綜合承載能力存在一定限制，在信息傳輸與處理上有待進(jìn)一步完善。而5G通信技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，為城市軌道交通的創(chuàng)新發(fā)展提供了新動(dòng)力。對此，有必要加強(qiáng)5G通信技術(shù)及其在城市軌道交通中應(yīng)用的研究。

關(guān)鍵詞：5G通信技術(shù)；城市軌道交通；應(yīng)用

引言

基于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M，地鐵長期演進(jìn)系統(tǒng)），由于其移動(dòng)性高（相對移動(dòng)速度≥350km/h）、覆蓋范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法先進(jìn)，逐漸取代基于無線局域網(wǎng)（WLAN）的車地通信系統(tǒng)。隨著2016年中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》，LTE-M系統(tǒng)成為新建城市軌道交通線路的首選車地通信系統(tǒng)。同時(shí)，應(yīng)用LTE通信網(wǎng)絡(luò)在地上和地下城市軌道交通運(yùn)營線的廣泛覆蓋，也給乘客上網(wǎng)和視頻通話提供了方便。但在實(shí)際應(yīng)用和測試中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于城市軌道交通的LTE-M帶寬受頻譜資源限制，綜合承載能力有限；受LTE-M延時(shí)影響，基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)性能受限。目前各國正在積極推進(jìn)第5代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)的研發(fā)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。國務(wù)院在2016年11月印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中對5G技術(shù)已有明確方向：“大力推進(jìn)第5代移動(dòng)通信（5G）聯(lián)合研發(fā)、試驗(yàn)和預(yù)商用試點(diǎn)”，同時(shí)對軌道交通行業(yè)也提出了明確的要求：“強(qiáng)化軌道交通裝備領(lǐng)先地位。推進(jìn)軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)智能化、綠色化、輕量化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化發(fā)展，加快新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用”。地方企業(yè)、科研單位已開始進(jìn)行關(guān)于軌道交通信息化和高速移動(dòng)下的5G研究。北京市科委表示，未來地鐵新建線將預(yù)留5G信號(hào)空間。工信部表示，力爭2020年啟動(dòng)5G商用。通信系統(tǒng)作為城市軌道交通重要的系統(tǒng)之一，5G新技術(shù)的推進(jìn)為城市軌道交通發(fā)展增加了新的動(dòng)力。

1對“5G通信技術(shù)”的基本認(rèn)識(shí)

“5G”是對第五代移動(dòng)通信技術(shù)（Fifthgenerationmobilecom-municationtechnology）的簡稱，又被稱之為“第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)”，是基于4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）上延伸的移動(dòng)通信技術(shù)。作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G通信具備了更高的要求，實(shí)現(xiàn)了眾多先進(jìn)技術(shù)的整合應(yīng)用。例如，5G通信技術(shù)應(yīng)用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的疊加傳輸，為不同用戶間的多路傳輸?shù)於己没A(chǔ)，促進(jìn)5G通信系統(tǒng)接入能力的提高；5G通過引入可拓展OFDM間隔參數(shù)配置，通過構(gòu)建超密集組網(wǎng)，提升通信容量，實(shí)現(xiàn)多種部署模式下不同信道寬度的支持，在不增加控制系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，滿足5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模設(shè)備連接要求；5G通過應(yīng)用大規(guī)模天線陣列技術(shù)、全頻譜接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率提升，增強(qiáng)對各頻譜資源處理能力，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模、高速率通信需求；5G系統(tǒng)引入綠色通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息與通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)耗能的降低，滿足社會(huì)與市場對綠色發(fā)展的需求。在先進(jìn)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用下，5G網(wǎng)絡(luò)在以下場景中具備較高應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用前景：（1）超高速場景，如滿足高速列車控制系統(tǒng)通信需求，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的高效傳輸，提升高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性；（2）高可靠、低時(shí)延場景，覆蓋范圍不斷拓展，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)時(shí)通信，提升通信可靠性；（3）大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景，可滿足大規(guī)模通信設(shè)備連接需求，使眾多人參與到通信事件中，進(jìn)行同步交流，構(gòu)建物與物、人與物、人與人相互溝通的“萬物物聯(lián)”網(wǎng)絡(luò)體系；（4）高體驗(yàn)性場景，即在滿足信息無障礙傳輸?shù)幕A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更自由、開放網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用安全性、便利性、高效性、互動(dòng)性。對4G通信技術(shù)與5G通信技術(shù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)5G通信技術(shù)具有如下優(yōu)勢：（1）傳輸速率更高。5G通信技術(shù)應(yīng)用下，信息傳輸速率可達(dá)到10Gbps是4G（100Mbps）的百倍，與此同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)100MHz以上的帶寬，為信息傳輸速率的進(jìn)一步提高奠定了良好基礎(chǔ)。（2）信息容量更大。5G網(wǎng)絡(luò)每平方公里能夠連接的設(shè)備數(shù)量是4G的十倍有余，且通信質(zhì)量更好，通信可靠性更強(qiáng)，能夠滿足人口密集城市軌道交通的通信需求。（3）資源利用率更高。5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，如D2D（Device-to-Device，端對端通信）的設(shè)計(jì)、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用等，不僅增強(qiáng)了信息傳輸速率，也有效提升了資源利用率，利于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建的綠色化發(fā)展。

2城市軌道交通5G應(yīng)用

2.1高速通信

目前城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)使用1785～1805MHz頻段，但受各地方頻率資源使用限制，一般只批準(zhǔn)其中的10MHz帶寬用于城市軌道交通?？紤]到信號(hào)系統(tǒng)安全可靠的需求，把10MHz帶寬又分為A、B雙網(wǎng)（5MHz+5MHz）冗余方式進(jìn)行通信，按照《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》系統(tǒng)需求，在不同的自動(dòng)運(yùn)行等級(jí)（GOA，GradeofAutomation）下綜合承載列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)（IMS）。集群調(diào)度業(yè)務(wù)的傳輸速率未做要求，但根據(jù)實(shí)際場地測試，單路高清視頻約<4Mbit/s（H.264）或<2Mbit/s（H.265）。在以上每個(gè)業(yè)務(wù)最小單位的情況下，5MHz帶寬LTE-M通信速率難以滿足各業(yè)務(wù)綜合承載的設(shè)計(jì)要求，特別是多業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)，例如多列列車在同一小區(qū)進(jìn)行通信、多路視頻傳輸?shù)惹闆r下單網(wǎng)承載遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，進(jìn)一步使得業(yè)務(wù)擴(kuò)展空間受限。受此問題影響，目前解決辦法是設(shè)計(jì)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)承載不同業(yè)務(wù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜、周期長、后期維護(hù)難度大等問題。

2.2低延時(shí)，高可靠

追蹤間隔保證列車以一定的時(shí)間間隔在線路上互不干擾地運(yùn)行，不僅是衡量列車運(yùn)行控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是保證運(yùn)營效率的重要參考。無線通信是CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較小追蹤間隔的基礎(chǔ)，而通信延遲是無線通信過程中普遍存在的問題，會(huì)造成車載和地面設(shè)備對信息使用不同步，可靠性降低，對列車追蹤間隔、運(yùn)行安全和效率產(chǎn)生影響。按照《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》，要求通信系統(tǒng)單路單向傳輸時(shí)延不超過150ms的概率不小于98%，不超過2s的概率不小于99.92%。根據(jù)不同通信時(shí)延下列車追蹤間隔和最優(yōu)速度值可知，在沒有通信延時(shí)的理想情況下，列車追蹤間隔為33.06s，當(dāng)延時(shí)為200ms時(shí)，列車追蹤間隔為38.27s。應(yīng)用5G技術(shù)，可將端到端的延時(shí)降低至1ms以內(nèi)，這將使運(yùn)行間隔進(jìn)一步縮短，使得虛擬聯(lián)掛、編組運(yùn)行成為可能。另外，通信延時(shí)減小，可增加系統(tǒng)的可靠性，提高運(yùn)行安全。

2.3端到端通信

目前基于CBTC的列車控制系統(tǒng)，為了防止軌旁網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障造成列車降級(jí)行駛或者停運(yùn)，在列車運(yùn)行線路設(shè)計(jì)了A、B相互獨(dú)立的車地通信網(wǎng)絡(luò)，互為冗余進(jìn)行通信。但這樣需要在軌旁增設(shè)大量的通信設(shè)施，提高了建設(shè)成本，延長了施工周期，也增加了后期運(yùn)行維護(hù)的難度，不利于老舊線路改造。5G通信引入了端到端（D2D）通信技術(shù)，設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信不需要基站的中轉(zhuǎn)。D2D通信技術(shù)可作為另一種冗余通信方式，在軌旁網(wǎng)絡(luò)故障情況下，可以使列車與列車之間直接通信，相互匯報(bào)各自的位置信息及運(yùn)行狀態(tài)信息，從而在保證安全的前提下，不降級(jí)繼續(xù)安全運(yùn)營。D2D通信技術(shù)使列車與列車之間通信時(shí)延可以進(jìn)一步降低，從而進(jìn)一步減少列車運(yùn)行間隔，在提高運(yùn)行效率的同時(shí)，也增加了通信的可靠性。

結(jié)語：

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及應(yīng)用，對于正在快速發(fā)展的城市軌道交通建設(shè)具有一定的積極作用。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望解決現(xiàn)在困擾城市軌道交通通信系統(tǒng)應(yīng)用中的一些問題，而且提供了更強(qiáng)大的功能、更靈活的應(yīng)用，為優(yōu)化城市軌道交通相關(guān)系統(tǒng)提供了新的思路。同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提高系統(tǒng)效率、減少能量損耗、進(jìn)一步降低部分成本，實(shí)現(xiàn)國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排、綠色通信，對后續(xù)城市軌道交通設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營都有非常重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京多條地鐵線實(shí)現(xiàn)4G全覆蓋并預(yù)留5G信號(hào)空間[J].都市快軌交通，2016（4）：19.